本项研究由来自澳大利亚联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific & Industrial Research Organization, Newcastle NSW, Australia）的Sahan Trushad Wickramasooriya Kuruneru、Jin-Soo Kim、Yen Chean Soo Too和Daniel Potter共同完成。研究论文《Discrete particle modelling of buoyant convective particle-laden air flow in solar cavity free-falling particle receivers》于2022年3月22日在线发表于期刊《Energy Reports》（Volume 8, 2022, Pages 3902-3918）。

本研究的学术背景聚焦于集中太阳能热发电（Concentrated Solar Power, CSP）技术领域，具体针对一种关键组件——太阳能腔体自由落体粒子接收器。这类接收器使用细颗粒固体陶瓷颗粒作为传热流体（Heat Transfer Fluid, HTF）和储热介质，因其成本低、耐高温、化学稳定性好而备受关注，有望克服传统熔盐介质的缺点（如高凝固点）。然而，这种接收器面临的一个关键技术挑战是如何减轻从接收器开口（aperture）和对流出的热量损失。由于内部涉及高温（>800°C）、固体颗粒与空气（固-气）耦合流动的复杂机理，例如夹带空气（entrained air）、空气再循环模式以及固体与气体之间的热动力学相互作用，其传热机制尚不完全清楚，且通过实验手段获取相关数据极为困难甚至不可能。尽管已有一些关于自由落体粒子接收器的研究，但在系统分析颗粒载荷气流（particle-laden air flow）、综合考虑夹带空气和再循环影响、量化开口及出口（outlet port）热损失、以及基于对流动结构的深入理解来优化接收器几何形态等方面，现有工作存在显著不足。因此，本研究旨在填补这些关键研究空白，首次尝试揭示太阳能腔体粒子接收器中考虑夹带空气、空气再循环模式和固-气热动力学影响的复杂对流换热机制，量化热损失，并为优化接收器几何形态提供依据。

为实现上述目标，本研究开发并实施了一个先进的三维数值模型，即耦合计算流体力学与离散颗粒法（Computational Fluid Dynamics - Discrete Particle Method, CFD-DPM）模型。研究选择了开源软件OpenFOAM作为平台。选择CFD-DPM方法而非欧拉-欧拉（Eulerian-Eulerian, E-E）方法，是基于前者的优势：能更准确地处理高雷诺数湍流、颗粒分散、近壁面辐射和传热问题，能够模拟多分散颗粒，并且数值扩散小、收敛性好，尤其适用于接收器中同时存在稀相和密相区域的复杂固-气湍流流动。

研究的具体工作流程主要包括数值模型建立、验证、参数化研究与几何优化分析。首先，建立并配置CFD-DPM数值模型。模型考虑了固-气两相之间的双向耦合（动量与能量交换）以及颗粒-壁面的相互作用。连续流体相（空气）的控制方程采用Navier-Stokes方程和能量方程求解，并考虑了温度相关的流体属性（Sutherland输运模型和JANAF热力学模型）。离散颗粒相的运动由牛顿第二定律控制，主要考虑重力和曳力；其传热由包含对流换热（采用Ranz-Marshall关联式）的能量方程控制。湍流效应通过k-omega SST模型并结合随机弥散模型来考虑。模拟中，固体陶瓷颗粒（直径350 µm，密度3600 kg/m³）被假定为光滑、球形、无粘聚性。为了在对比不同操作条件时保持颗粒幕温度恒定作为控制变量，将颗粒的比热容人为设置为实际值（1275 J/(kg K)）的100倍（即127500 J/(kg K)）。接收器几何形态（图1）基于典型的工程尺寸设计，置于一个更大的环境空气立方体计算域中。边界条件设置是关键创新之一：颗粒出口（Outlet 2）被设置为一种混合的“inletOutlet”边界条件，这允许流体（空气）根据当地流动方向自由流入或流出该端口，从而更真实地模拟了实际接收器中颗粒出口处的空气夹带和回流现象，克服了以往研究中将该端口设为无滑移壁面带来的不准确性。

其次，进行网格敏感性分析与模型验证。对计算网格进行了独立性研究，最终选定了一个包含198,883个网格单元的网格（表2），并通过网格收敛指数（GCI）评估确认了其可靠性（表3）。接着，通过两个独立的验证案例来确认模型精度：1）纯空气腔体热损失验证：模拟一个不含颗粒的太阳能腔体接收器，在两种不同工况（不同倾角、风速、壁温）下的开口热损失，结果与已发表的数值结果（Lee et al., 2017）和实验数据（Taumoefolau et al., 2004）吻合良好，误差小于8%（图2）。2）颗粒幕对流冷却验证：模拟加热颗粒幕在静止空气中的温度衰减，得到的无量纲温度沿轴向距离的变化与Hruby等人（1988）的实验数据高度一致（图3）。这两步验证确立了所开发模型在预测腔体热流和固-气对流换热方面的有效性。

随后，对原始接收器几何形态进行系统的参数化研究。这是研究的核心部分，包含多个步骤和对象。研究步骤一：探究颗粒质量流率的影响。在保持颗粒初始速度（0.25 m/s）和环境迎面风速（0.5 m/s）不变的情况下，设置了四个不同的颗粒注入速率案例：100,000 pps（颗粒每秒）、1,000,000 pps、2,000,000 pps和3,000,000 pps。其中3,000,000 pps代表了实际商用规模接收器典型运行条件下的流率相似条件。对每个案例进行完整的瞬态CFD-DPM模拟，直至腔体内的流动与热通量达到准稳态。数据处理与分析：通过后处理提取每个案例下的温度场、速度矢量场（图4）、以及四个关键位置（颗粒入口Inlet 2的q1、颗粒出口Outlet 2的q2、腔体开口流入热q3、腔体开口流出热q4）的热通量（图5）。计算净热损失（q_net = q2 + q4 - q1 - q3）、开口出口损失（aperture exit loss）、接收器热效率、出口损失比（Exit Loss Ratio, ELR）等关键性能指标（图6，图7）。同时，分析了空气再循环模式（C1和C2涡）和来流空气穿透深度（Penetration Depth, PD）随颗粒流率的变化。研究步骤二：探究颗粒初始速度的影响。在固定颗粒流率为3,000,000 pps的条件下，研究了三种不同的颗粒初始速度（u_init-p）：0.25 m/s（基准）、2 m/s和4 m/s。重复模拟流程，分析速度场、温度场（图9）的变化，并量化其对各热通量（图10a）、净热损失和开口损失（图10b）、以及夹带空气速度的影响。研究步骤三：基于对流动和热损失机理的理解，提出并评估改进的接收器几何形态。为了减少热损失，在原接收器颗粒出口附近插入了一个45°楔形挡板（图11）。这种修改旨在降低颗粒幕在出口区域的速度，从而减小夹带空气速度和出口热损失。对改进后的几何形态，在相同的颗粒流率（3,000,000 pps）和三种初始速度下，重复了完整的模拟和分析流程，计算其热性能指标（图12），并与原始几何形态的结果进行对比。此外，还专门比较了两种几何形态下夹带空气速度和出口2热通量的差异（图13），以及热效率的差异（图14）。

研究获得了丰富而系统的结果。关于颗粒质量流率的影响：结果显示，颗粒流率对空气再循环模式、夹带空气和热通量有深远影响。随着颗粒流率从100,000 pps增加到3,000,000 pps，空气再循环涡C2的尺寸增大，而来流空气的穿透深度PD减小（图4）。这是因为高颗粒流率带来了更高的热质量和颗粒幕速度，导致从出口2回流的夹带空气速度增加，从而将更多的环境空气“推离”颗粒幕。在热通量方面（图5），出口2的热损失q2随颗粒流率线性增加，原因是更高的热质量和加速颗粒拖曳出的更高空气速度。开口流入热q3在达到峰值后略有下降，而开口流出热q4则显著下降。净热损失q_net随颗粒流率线性增加（从100k pps到3M pps增加了48.6%），而开口出口损失却下降了24.4%（图6）。这被归因于高颗粒流率下强烈的夹带空气再循环，使得大量被加热的空气在腔体内循环而非从开口逸出。这一机制直接导致接收器的热效率随颗粒流率线性增加，而出口损失比则呈指数下降（图7）。研究首次量化了颗粒幕流动强度与来流空气流动强度之间的竞争关系，定义了无量纲流动强度（Fs = C2/PD）和无量纲流率（Fr = 颗粒质量流率/开口空气流入质量流率），发现Fs随Fr呈指数增长（图8a）。同时，定义了无量纲热能（TE_c），发现其随固-气流率呈指数增长（图8b），进一步量化了高颗粒浓度对热能传递的影响。关于颗粒初始速度的影响：在固定高颗粒流率下，提高初始颗粒速度会显著增加出口2的夹带空气速度（图13）。这导致出口2的热损失q2和开口流出热q4均增加（图10a），从而使净热损失和开口损失线性上升（例如，速度从0.25 m/s增至4 m/s时，净热增加44%，开口损失增加36%）（图10b）。高初始速度强化了空气夹带效应，但同时也增加了热损失，导致接收器热效率下降（图14）。关于改进几何形态的效果：引入45°楔形挡板后，成功地降低了颗粒幕在出口区域的速度。与原始几何相比，在相同的操作条件下（如3M pps， 4 m/s），改进几何的净热损失和开口出口损失的增长幅度更小（分别为25%和26%对44%和36%）（对比图10b和图12）。同时，改进几何的夹带空气速度和出口2热通量均显著低于原始几何（图13）。这使得改进几何的接收器热效率在所有测试的初始速度下都高于原始几何，尤其在2 m/s时，热效率高出14.4%（图14）。研究还发现，无论几何形态如何，高颗粒初始速度都会显著放大出口端口的热损失，并增强夹带空气速度。

基于以上结果，研究得出结论：所开发的耦合CFD-DPM模型是分析和优化太阳能腔体自由落体粒子接收器的有力工具。研究首次系统揭示了高颗粒流率下强烈的空气再循环在减少开口对流热损失方面的积极作用，尽管这伴随着出口端口热损失的同步增加。颗粒质量流率对整体流动结构和热损失分配起着决定性作用。研究量化了颗粒幕与来流空气之间的流动竞争关系。更重要的是，研究通过基于机理理解的几何修改（添加45°楔形板），提出了一种有效的热损失缓解策略，改进后的接收器效率比原始设计高出约26%，这为工程师优化接收器几何形态提供了直接依据和设计思路。

本研究的亮点在于：1）方法新颖性：首次在太阳能腔体粒子接收器研究中实现了更真实的颗粒出口边界条件（“inletOutlet”），并系统应用和验证了三维CFD-DPM模型来解析复杂的固-气对流。2）发现的重要性：首次明确揭示了高颗粒流率通过增强夹带空气再循环来降低开口热损失的内在机制，并量化了这种竞争关系。3）应用的直接性：不仅止于机理分析，更进一步利用获得的新知指导了接收器几何优化设计，并验证了其有效性，实现了从基础研究到工程设计的衔接。4）研究的系统性：通过控制变量法，系统研究了颗粒流率、初始速度、几何形态等多个关键参数对接收器性能的影响，提供了全面的认识。

此外，研究还包含了有价值的讨论，如对比CFD-DPM与E-E方法的优劣以证明所选方法的合理性，详细描述了数值求解的设置（离散格式、求解器、并行计算等），并进行了严格的质量守恒验证（表4），确保了结果的可靠性。所有模拟均在CSIRO的高性能计算集群上完成，确保了大规模计算的可行性。研究成果为科学家和工程师进一步理解和优化太阳能粒子接收器的几何形态、降低热损失、提高热效率提供了宝贵的见解和可靠的工具。